(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度を有する光線を生成するための照明装置であって、
該照明装置は、
長手方向軸を規定する細長い支持部材であって、該細長い支持部材上に、該長手方向軸に沿って互いに規則的に離間したＬＥＤ放出ダイの線形アレイが形成されており、各ＬＥＤ放出ダイは、所定のスペクトル出力を有する１つ以上のＬＥＤ放出ダイを備え、該所定のスペクトル出力は、所定の立体角にわたって直接的に放出される、細長い支持部材と、
該細長い支持部材の該長手方向軸に沿って互いに離間した非結像集光器のアレイであって、該非結像集光器のアレイの個々の非結像集光器は、該規則的に離間したＬＥＤ放出ダイの線形アレイと一対一の対応で直接的に光学的に結合され、該非結像集光器のアレイの各非結像集光器は、入口開口と出口開口とを有するテーパ状集光器を備え、該出口開口のサイズは該入口開口のサイズより大きく、該非結像集光器のアレイの各非結像集光器は、該ＬＥＤ放出ダイの線形アレイの各々によって放出される放射を直接的に集光して、該集光された放射の実質的にすべてを発散ビームとして再放出するように動作し、該発散ビームは、放射が該ＬＥＤ放出ダイのアレイの各々によって放出される該所定の立体角より小さい立体角を有し、該発散ビームは、該出口開口の近接場において空間的およびスペクトル的に均一であり、該装置の光学軸に沿った方向に伝播し、該光学軸は、該細長い支持部材の該長手方向軸に直交し、該テーパ状集光器の該出口開口は、矩形であり、該長手方向軸に平行な方向に沿った第１のエッジと、該長手方向軸および該光学軸の両方に直交する第３の軸に沿った第２のエッジとを備えることにより、相互に直交する第１の平面および第２の平面における該発散ビームの角度発散を制御し、該第１の平面は、該長手方向軸および該光学軸によって規定され、該第２の平面は、該光学軸および該第３の軸によって規定される、非結像集光器のアレイと、
細長い円筒形レンズであって、該細長い円筒形レンズは、該細長い支持部材の該長手方向軸に沿って延在し、該光学軸に沿って該非結像集光器のアレイの下流に位置付けられていて、該出口開口から生じる放射を受け取り、該光学軸に沿って該細長い円筒形レンズの下流で該放射を光の輝線に収束させる、細長い円筒形レンズと
を備えている、照明装置。
【請求項２】
前記細長い円筒形レンズは、双非球面断面である、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記細長い支持部材の前記長手方向軸に沿って延在する細長い拡散器をさらに含み、該細長い拡散器は、前記光学軸に沿って前記細長い円筒形レンズの下流に位置付けられて、該細長い円筒形レンズから生じる放射を受け取る、請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ＬＥＤ放出ダイは、Ｒ、Ａ、Ｇ、Ｂ  ＬＥＤ、赤色および緑色蛍光体と共に用いられる青色ＬＥＤ、ならびに、赤色蛍光体と共に用いられる青色および緑色ＬＥＤから成る群から選択される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記テーパ状集光器は、複合放物線集光器および直線状テーパを含む群から選択される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項６】
前記非結像集光器のアレイの各非結像集光器は、それぞれのＬＥＤ放出ダイと前記テーパ状集光器との間に位置する均質化区分をさらに含むことにより、前記輝線における均一な色および強度の分布を促進する、請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記細長い支持部材は、プリント回路ボードである、請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤ放出ダイの線形アレイのための駆動電子機器をさらに含み、該駆動電子機器および該ＬＥＤ放出ダイの線形アレイは、チップ・オン・ボードとして、プリント回路ボードに搭載され、熱管理要件を低減し、光学効率を向上させる、請求項５に記載の照明装置。
【請求項９】
前記細長い拡散器は、楕円形拡散器を備えている、請求項３に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記拡散器は、光学樹脂から射出成形される、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記ＬＥＤ放出ダイの線形アレイのそれぞれは、所定の立体角にわたって放出される所定のスペクトル出力を有する２つ以上のＬＥＤ放出ダイを備えている、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記細長い支持部材に取着された放熱板をさらに含むことにより、電気エネルギーを光学的出力に変換するプロセスにおいて発生する熱を選択的に消散させることによって、前記照明装置の温度を制御し、該照明装置の量子効率を向上させる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記細長い支持部材上に位置付けられている少なくとも１つの光センサと、前記細長い円筒形レンズの下流に位置付けられている少なくとも１つの反射要素とをさらに含み、該少なくとも１つの反射要素は、該円筒形レンズから生じる光の一部を摘出し、該光の一部を該少なくとも１つの光センサに向け、前記ＬＥＤ放出ダイの線形アレイによって提供される照射の強度を監視および調節するためのフィードバック制御信号を提供する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ放出ダイの線形アレイと共に用いられる反射光学系をさらに含み、該反射光学系は、該反射光学系を使用しない場合に達成されるであろうものよりも、前記入力開口内に結合される光を増加させる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記細長い円筒形レンズは、前記第２の平面における該円筒形レンズから生じる光が、数メートルから無限遠までの範囲内において、前記装置の前方で集束されるように、前記非結像集光器に対して位置付けられる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１６】
一対の鏡をさらに含み、該一対の鏡の各々は、前記第２の平面に平行な平面に沿って延在する前記照明装置の外側端部に位置付けられ、かつ、前記非結像集光器と前記細長い円筒形レンズとの間に位置付けられ、前記第１の平面において拡散する放射を集光して、該放射を該細長い円筒形レンズに向かって反射させることにより、光線の輝度を向上させる、請求項１に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、典型的には、機械視覚用途において使用される、線形結像システムの視野を照射するために好適な連続的高光線強度を提供することに関し、より具体的には、高強度線形照明システムにおける発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用に関する。そのような照明システムを利用し得る他の用途として、大型スクリーンテレビ、商業用看板、および直管蛍光ＬＥＤ交換ランプのためのエッジ照射型背面照明が挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、機械視覚におけるその挑戦的用途から、高い需要がある。機械視覚照明分野における先行技術は、典型的には、タングステンまたはタングステンハロゲン、金属ハロゲン化物、およびキセノンアークランプ、またはより最近は、予めパッケージ化された高輝度ＬＥＤを組み込むシステムを利用する。高強度線形照明は、典型的には、ウェブ検査と称されるもののために、ライン走査カメラの視野を照射し、可動コンベヤベルトまたはプラットフォーム上を移動する、高速プリンタおよび種々の製造された製品上のプリント材料を含む、対象を視覚化するために使用される。高性能、低コスト、コンパクト、かつ信頼性のある線形照明が、そのようなタスクには、望ましい。
【０００３】
最近まで、典型的には、一列に配列され、球状円筒形レンズの使用によって、一列に結像される、グラスファイバ光学束内に結合される、タングステンハロゲンランプが、業界標準であった。Ｓｃｈｏｔｔ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｄｏｌａｎ  Ｊｅｎｎｅｒ、Ｖｏｌｐｉ、Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、およびＦｉｂｅｒｏｐｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ等の企業は、一定範囲の利用可能な強度およびライン長を伴う、そのような製品を製造している。例えば、業界の先導者として認められている、Ｓｃｈｏｔｔ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ製の単一２４インチ長の線形照明システムは、２つの０．５インチグラスファイバ光学ケーブルに結合される２つの別個のタングステンハロゲンライトボックスから構成され、グラスファイバ光学ケーブルは、順に、円筒形球状ロッドレンズの使用によって、照射平面に結像する、単一２４インチ長のファイバ内へと終端する。新しいタングステンハロゲン１５０  Ｗａｔｔ  ＥＫＥ  Ｌａｍｐの場合、本システムは、最大約１００万Ｌｕｘ（１平方メートル当たりのルーメン）をもたらす。タングステンハロゲン技術の最も深刻な制限の１つは、ランプの強度が、高速に低下することである。全出力では、タングステンハロゲンランプは、その初期強度が約５０％低下するまで、またはランプがフィラメントの燃焼によって機能しなくなるまで、約５０時間乃至５００時間しか持続しない。しかしながら、ランプのコストは、主要な懸念ではないない。ＬＥＤベースのシステムの必要性を主に駆り立てるのは、ランプを交換するために、ラインを停止するコストである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
その結果、本発明の主要な目的は、種々の用途における使用のために好適な非常に信頼性のある照射線源を提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、ＬＥＤを利用する、線形線源を提供することである。
【０００６】
本発明のさらに別の目的は、機械視覚用途における使用のために、高強度線形線源を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、明白であって、その他も、以下の発明を実施するための形態を付随の図面と併せて熟読することによって、以下に明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書における本発明は、広帯域白色光、紫外線、および近赤外線を含む、１つ以上の個別の色を伴う、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を組み込む、線形照明システムについて記載する。ＬＥＤダイまたはダイアレイは、ＬＥＤダイおよび電子駆動構成要素の両方を含むことが可能な、ＣＯＢ技術を備えている、高熱伝導性回路基板に搭載され、事前パッケージ化ベースのＬＥＤシステムや、一列に配列された光学ファイバに結合される、業界標準のタングステンハロゲンランプ等の他の非ＬＥＤシステムと比較して、より低いコストで熱および光学性能が改良された、よりコンパクトかつ信頼性のある設計をもたらす。高効率結像集光光学系および収差補正された円筒形光学系と併せて、本発明の結果として得られるＬＥＤベースの線源は、性能の点では、任意の他の市販の線源照明システムには、並ぶものがない。線源筐体内部のモジュール式ＬＥＤモジュールおよびレンズユニットの手法は、ユーザにとって、全体的システムコストを最小限にし、任意の所望の長さで提供可能となる。これは、部品表のコスト削減および電子駆動装置の複雑性のため、より長い区分内に組み合わせることが可能な、完全に独立したモジュール式区分を提供するのと比較して、より低いコスト手法である。
【０００９】
典型的には、紫外線、青色、緑色、琥珀色、赤色、赤外線、または蛍光体でコーティングされた青色（白色光の場合）ＬＥＤダイまたはダイアレイからの光は、線形非結像集光器のアレイによって集光され、続いて、双非球面円筒形レンズによって、光学要素の最適化された形状因子によってもたらされる高強度および均一性を特徴とする、照射平面に対して、数メートル乃至無限遠の範囲内に集束される、高強度ラインまたはバーに結像される。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
高光線強度を生成するための照明装置であって、
細長い支持部材であって、該細長い支持部材は、該細長い支持部材上に形成された規則的に離間したＬＥＤモジュールの線形アレイを有し、該ＬＥＤモジュールの各々は、所定のスペクトル出力を有する１つ以上のＬＥＤ放出面積を備え、該所定のスペクトル出力は、所定の立体角にわたって放出される、細長い支持部材と、
離間した非結像集光器のアレイであって、該非結像集光器のアレイの個々の非結像集光器は、該規則的に離間したＬＥＤモジュールと一対一の対応で光学的に結合され、該非結像集光器のアレイの各非結像集光器は、入口開口と出口開口とを有し、該ＬＥＤモジュールの各々によって放出される放射を集光して、該集光された放射の実質的にすべてを発散ビームとして再放出するように動作し、該発散ビームは、放射が該ＬＥＤモジュールの各々によって放出される該所定の立体角より小さい立体角を有し、該発散ビームは、該出口開口の近接場において空間的およびスペクトル的に均一であり、相互に直交する平面における角度発散が制御された状態で、該装置の光学軸に沿った方向に伝播する、非結像集光器のアレイと、
該出口開口から生じる放射を受け取り、該装置の前方で、該放射を光の輝線に収束させるように位置付けられている細長い円筒形レンズと
を備えている、照明装置。
（項目２）
上記細長い円筒形レンズは、双非球面断面である、項目１に記載の照明装置。
（項目３）
上記細長い円筒形レンズの下流に位置付けられた細長い拡散器をさらに含み、該細長い拡散器は、該細長い円筒形レンズから生じる放射を受け取り、上記相互に直交する水平および鉛直平面における予め選択された量の分、光の遠視野角拡散をさらに制御する、項目１に記載の照明装置。
（項目４）
上記ＬＥＤ放出面積は、Ｒ、Ａ、Ｇ、Ｂ  ＬＥＤ、赤色および緑色蛍光体と共に用いられる青色ＬＥＤ、ならびに、赤色蛍光体と用いられる青色および緑色ＬＥＤから成る群から選択される、項目１に記載の照明装置。
（項目５）
上記非結像集光器は、複合放物線集光器、楕円形集光器、双曲線集光器、直線状テーパ、および高次多項式関数によって記述される曲率を有する集光器から成る群から選択される、項目１に記載の照明装置。
（項目６）
上記非結像集光器は、上記入口開口の前方に位置する均質化区分をさらに含むことにより、上記輝線における均一な色および強度の分布を促進する、項目５に記載の照明装置。
（項目７）
上記非結像集光器は、矩形断面であり、上記光学軸に対して相互に垂直な鉛直平面および水平平面において、上記発散ビームの発散を制御する、項目５に記載の照明装置。
（項目８）
上記細長い支持部材は、プリント回路ボードである、項目１に記載の照明装置。
（項目９）
上記ＬＥＤモジュールの線形アレイのための駆動電子機器をさらに含み、該駆動電子機器および該ＬＥＤモジュールの線形アレイは、チップ・オン・ボードとして、プリント回路ボードに搭載され、熱管理要件を低減し、光学効率を向上させる、項目５に記載の照明装置。
（項目１０）
上記細長い拡散器は、楕円形拡散器を備えている、項目１に記載の照明装置。
（項目１１）
上記拡散器の表面は、選択的テクスチャード加工面積と非テクスチャード加工面積、ホログラフィック要素、および巨視的屈折要素から成る群から選択される、項目３に記載の照明装置。
（項目１２）
上記拡散器は、光学樹脂から射出成形される、項目１１に記載の照明装置。
（項目１３）
上記ＬＥＤモジュールのそれぞれは、所定の立体角にわたって放出される所定のスペクトル出力を有する２つ以上のＬＥＤ放出面積を備えている、項目１に記載の照明装置。
（項目１４）
上記細長い支持部材に取着された放熱板をさらに含むことにより、電気エネルギーを光学的出力に変換するプロセスにおいて発生する熱を選択的に消散させることによって、上記照射装置の温度を制御し、該装置の量子効率を向上させる、項目１に記載の照明装置。
（項目１５）
上記細長い支持部材上に位置付けられている少なくとも１つの光センサと、上記細長い円筒形レンズの下流に位置付けられている少なくとも１つの反射要素とをさらに含み、該少なくとも１つの反射要素は、該円筒形レンズから生じる光の一部を摘出し、該光の一部を該少なくとも１つの光センサに向け、上記ＬＥＤモジュールによって提供される照射の強度を監視および調節するためのフィードバック制御信号を提供する、項目１に記載の照明装置。
（項目１６）
上記ＬＥＤモジュールと共に用いられる反射光学系をさらに含み、該反射光学系は、該反射光学系を使用しない場合に達成されるであろうものよりも、上記入力開口内に結合される光を増加させる、項目１に記載の照明装置。
（項目１７）
上記細長い円筒形レンズは、鉛直平面における該円筒形レンズから生じる光が、数メートルから無限遠までの範囲内において、上記装置の前方で集束されるように、上記非結像集光器に対して位置付けられる、項目１に記載の照明装置。
（項目１８）
一対の鉛直に配向された離間した鏡をさらに含み、該一対の鉛直に配向された離間した鏡は、上記光学軸と平行に、かつ、上記非結像集光器と上記細長い円筒形レンズとの間に位置付けられ、水平平面において拡散する放射を集光して、該放射を該細長い円筒形レンズに向かって収束させることにより、光線の輝度を向上させる、項目１に記載の照明装置。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の構造、動作、および方法論は、他の目的およびその利点とともに、図面（各部品は、種々の図面に現れる場合は常に、それを識別する、割り当てられた数または標識を有する）と併せて、以下の発明を実施するための形態を熟読することによって、最も良く理解されるであろう。
【図１】図１は、本発明による、６００ミリメートル長のＬＥＤライン走査照射システムの好ましい実施形態の概略等角図である。
【図２】図２は、図１のシステムの概略立面断面図である。
【図３】図３は、６つの１００ミリメートル長のＬＥＤモジュールおよび付随する円筒形レンズを示す、筐体カバーが除去された、図１のシステムの概略等角図である。
【図４】図４は、筐体カバーの上部および底部の両方が除去された、図３のシステムの概略図である。
【図５】図５は、一体式拡散器および一体式窓が除去された、図４のシステムの概略図である。
【図６】図６は、図５のシステムの単一モジュールおよび付随する円筒形レンズの概略分解等角図である。
【図７】図７（ａ）から（ｄ）は、単一の成形された光学系に取着される、５つのテーパ部から成る、図６のＬＥＤモジュールの集光光学系の４つの異なる概略図を示す。
【図８】図８は、図６のシステムの１つの双非球面円筒形レンズの概略等角図である。
【図９】図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図６の光学系の概略上部および側部図を示す。
【図１０】図１０（ａ）および１０（ｂ）は、ＬＥＤから照射平面までの光学光線の経路を示す、図６のシステムの集光光学系のうちの１セットの概略上部および側面図を示す。
【図１１】図１１（ａ）および１１（ｂ）は、テーパ部の出口から、円筒形レンズ、拡散器、および窓を通って、本発明の照射平面までの概略連続光線トレースを示す
【図１２Ａ】図１２ＡおよびＢは、それぞれ、例えば、図１０の光学系の水平および鉛直強度分布のグラフを示す。
【図１２Ｂ】図１２ＡおよびＢは、それぞれ、例えば、図１０の光学系の水平および鉛直強度分布のグラフを示す。
【図１３】図１３は、いかなる任意の長さにも延在する光学系の能力を示す、６つのモジュールのエッジ間の３つを概略的に示す。
【図１４】図１４は、図１３のシステムの概略分解等角図を示す。
【図１５】図１５（ａ）および１５（ｂ）は、概略上面図を示し、図１５（ｃ）は、本発明のＬＥＤモジュールの線形アレイの一端に鏡を追加する場合のエッジ光線に及ぼす影響の概略側面図を示す。
【図１６】図１６は、図１５Ａ、１５Ｂ、および１５Ｃのシステムの鏡の追加から生じる、強度の勾配における改良を示す、グラフである。
【図１７】図１７は、図６のシステムのＬＥＤプリント回路基板（ＰＣＢ）の概略等角図を示す。
【図１８】図１８は、図１７のシステムのＬＥＤダイの５つの群のうちの１つを拡大した、概略拡大図を示す。
【図１９】図１９は、ＬＥＤダイから出て、テーパ部を上方に通過し、図６のＬＥＤモジュールのための図７の集光光学系の側面に下方反射する、光の光線経路を概略的に示す。
【図２０】図２０は、円筒形レンズを伴わず、拡散器および窓が、図７の光学系の出力近くに移動された、図２のシステムの代替実施形態を概略的に示す。
【図２１】図２１（ａ）および２１（ｂ）は、それぞれ、複数のＬＥＤダイ色が使用される場合、改良混合を可能にする、統合光パイプを伴うものと、伴わない、集光光学テーパ部を概略的に示す。
【図２２】図２２は、１次元テーパ部の概略斜視図を示す。
【図２３】図２３Ａ、２３Ｂ、および２３Ｃは、それぞれ、テーパ部単独のものより高い集中係数をもたらす、ハイブリッド複合放物線集光器（ＣＰＣ）およびテーパ部の側面、上面、および等角図を概略的に示す。
【図２４】図２４は、第２のハイブリッドＣＰＣおよびテーパ状集光光学系の概略斜視図を示す。
【図２５】図２５（ａ）および２５（ｂ）は、より大きいＬＥＤダイと併用するためのより大きい入力および出力開口を伴い、また、反射開口間に位置する、出力開口の強度を増加させるために、出力面上にも反射開口を備えている、ハイブリッドＣＰＣおよびテーパ状集光光学系を概略的に示す。
【図２６】図２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、および２６Ｄは、より大きいＬＥＤダイと併用され、より小さいＬＥＤダイによって達成されるであろうものより入力開口内に結合される光を増加させる、反射光学系を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、機械視覚用途等における使用のためのライン走査カメラの視野を照射するために好適な１列の均一な高強度光を生成するように配列される、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明に関する。特に、本発明は、以前の源と比較して、よりコンパクトな形状因子、低コスト、より高い強度、および延長された寿命において、改良されたライン走査およびウェブ検査システムのためのＬＥＤベースの光源を示す。また、本発明は、大面積液晶テレビディスプレイ（ＬＣＤ）の背面照明や、同様に、商業用看板用の背面照明のための平面導光装置のエッジ照明に対する用途を有する。さらに別の用途は、カウンタ照明および管形蛍光ランプ下の構造用である。
【００１２】
我々は、予めパッケージ化されたＬＥＤを、１つ以上の熱的および電気的伝導性材料の上部に着座するＬＥＤダイまたはダイアレイを備えているデバイスとして定義し、熱的および電気的伝導性材料のそれぞれは、電気導線および熱バックプレーンに関する熱インピーダンスに関連し、次いで、付加的熱インピーダンスに関連するさらに別のボードに取着されることが意図される。予めパッケージ化されたデバイスの実施例として、現在、Ｐｈｉｌｉｐｓから市販されている、ＬｕｘｅｏｎＴＭおよびＲｅｂｅｌＴＭ製品ライン、Ｏｓｒａｍ  ＤｒａｇｏｎＴＭおよびＯｓｔａｒＴＭ製品ライン、ならびにＣＲＥＥ  Ｘ−ＬａｍｐＴＭ製品ラインが挙げられる。Ｃｏｄｅ  ３／ＰＳＥ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ＭＯ）およびＷｈｅｌｅｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈｅｓｔｅｒ、ＣＴ）を含む企業が、非常用照明市場部門において、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスを組み込んだ製品の販売に成功している。
【００１３】
本発明は、「チップ・オン・ボード」（ＣＯＢ）金属コアプリント回路ボード（ＰＣＢ）技術を高効率コンパクト結像および非結像光学系と併用して、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスを組み込む市販のシステムと比較して、よりコンパクト、より高性能、より長寿命、かつより低コストを提供する。ＣＯＢ技術の場合、ＬＥＤ接合点と放熱板との間の熱インピーダンスは、ＬＥＤダイを、金属コア上、または薄い低熱インピーダンス絶縁体および銅箔層（または、他の高熱伝導性材料基板）の上に直接設置することによって、大幅に低減され、それによって、温度依存寿命および熱依存出力電力を増加させる。加えて、ＬＥＤダイ上に封入材料またはドーム状光学系が存在しないため、ダイ上に集光光学系を保持するのに、なおさらコンパクトかつ実質的に効率的エテンデュ（面積、立体角、屈折率の２乗の積）を得ることが可能である。予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスの場合、ＬＥＤダイに取着される構成要素の付加的費用が存在しないため、ＣＯＢ構成のためのコストが大幅に削減され、ＬＥＤダイのなおさら高いパッキング密度が可能となり、現在の密度を著しく減少させ、それによって、効率を向上させ、必要とされる総熱放散を低下させる。
【００１４】
ＣＯＢ技術と高効率非結像および収差補正された結像光学系との組み合わせは、業界の典型的タングステンハロゲン線形光源の最大強度を約一桁分超え得る、本発明の好ましい実施形態をもたらす。具体的には、好ましい実施形態のプロトタイプは、ＬＥＤダイ当たり３５０ｍＡの製造業者の定格電流の３分の１未満のＬＥＤ電流密度で稼働する。これらのＬＥＤダイに関して、ダイ当たり３０００ｍＡの電流で、加速寿命試験を行ったが、室温対流冷却のみで、７０００時間超の連続動作後も、初期輝度からの光の損失は無かった。したがって、十分な冷却を前提として、これらのＬＥＤベースの線源は、数千時間の連続的かつ信頼性のある動作を伴って、タングステンハロゲンベースの線源の強度の１０倍も、継続的に稼働する可能性を有することが容易に明白である。
【００１５】
次に、図１を参照すると、概して、システム１００として指定される、ＬＥＤ線源の好ましい実施形態の外側の概略等角図が、示される。ＬＥＤ線源システム１００は、吸熱フィン１０３を有する上部半体１０２と、下部半体１０６とから成る筐体を備え、貝殻配列において、定位置に単一片の出力窓１０８を保持する。筐体半体は、機械ネジ１１０の使用によって、ともに保持される。線源システム１００は、記載される様式において、鉛直Ｙ−軸に幅約４ｍｍを伴って、水平Ｘ−軸に沿って、高強度ラインをもたらす。光は、Ｚ方向に、光学軸に沿って、投影される。図１２Ｂのプロットから、平坦領域は、約２．５ｍｍ幅である。概して、有用領域は、平坦領域内にあるであろう。公称焦点は、光学軸Ｚに沿って、窓１０８から約３７ｍｍである。電力は、電気フィードスルー１０４を用いて、ＬＥＤモジュールに入電される。
【００１６】
次に、図２を参照すると、図２のシステム１００の概略立面断面図が、示される。Ｓｉｌ−９００と呼ばれる、Ｔｈｅ  Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造される種類の熱的伝導性パッド２０２が、金属コアＬＥＤプリント回路ボード（ＰＣＢ）２０４内で生成された熱を筐体１０６に結合し、順に、筐体底部半体１０６の吸熱フィン１０５およびカバー１０２の吸熱フィン１０３に熱を伝導させる。ＬＥＤダイは、ＰＣＢ  ２０４上で群２０６として配列され、成形された集光光学系アレイ２１０のテーパ状集光光学系２１２の入力開口２０８内へと結合する。光は、２１４において、ＬＥＤダイの各群から、各それぞれのテーパ部２１２を出射し、２１６において、取着された窓を通過する。破線は、ＬＥＤダイから、集光光学系２１０を通って、次いで、Ｙ−Ｚ平面において、円筒形レンズ２１８のみによって、照射平面２２８に結像される光の経路を示す。
【００１７】
円筒形レンズ２１８を通過後、光は、任意の拡散器２２４と、典型的には、パイレックス（登録商標）またはホウケイ酸ガラス等の頑丈なガラス材料から成る、出力窓１０８と、を通過する。シリコーンまたは他のゴム材料等のエラストマーコード原材料から成る、コンプライアンス材料２２６は、カバー１０２に対して、窓を緊密に密閉された状態に維持する作用を果たす。レンズ２１８は、筐体１０６の底部に搭載するためのＬ形延長部２２０を有する。Ｌ形延長部は、そこに搭載される円筒形レンズ２１８が、集光光学系２１２の出口瞳から生じる放射に対して搭載され、レンズから生じる光が、収束され、数メートルから無限遠を包含する範囲で、装置の前方に結像され得るように構成可能であることを認識されたい。言い換えると、有効焦点距離およびそこに入射する光に対する円筒形レンズ２１８の位置に応じて、レンズ２１８が、そこに入射する光のより近くに位置付けられると、光を有限距離に結像するか、または、それを無限遠まで視準を合わせることが可能である。
【００１８】
次に、図３を参照すると、カバー１０２が除去され、６００ミリメートルの総アレイ長を備えている、それぞれ、長さ１００ミリメートルの個々の集光光学テーパアレイ２１０を伴う、６つのＬＥＤモジュール２０９（典型）が露出された状態の図１のシステム１００が、示される。本実施形態は、６つのＬＥＤモジュールから成るが、任意の数のモジュールが、本発明の線源を備えているように構成可能である。また、本モジュール式手法は、対応する集光光学系２１０を伴う対応するＬＥＤモジュールそれぞれと同一長であって、その正面に直接整列される円筒形レンズ２１８にも拡張される。しかしながら、各個々のモジュール２０９および光学系２１０の長さは、アルミニウムまたは他の類似材料等の良好な熱導体である必要がある、筐体の材料と、アクリル、ポリカーボネート、または環状オレフィン等の高透明性成形材料から作製されるべきである、光学系の材料との間の熱膨脹差を考慮しなければならないという点において、任意ではない。長さが長過ぎる場合、ＬＥＤダイまたはダイアレイと集光光学系２１２の入力開口２０８との間の整列は、システム１００の温度変化に伴って、相互に対して相対的に移動し、それによって、スループットを落とすことになるであろう。本好ましい実施形態のための１００ミリメートルの長さは、これらの要因の良好なトレードオフを示す。各ＬＥＤ  ＰＣＢ  ２０４および関連する集光光学系２１０の長さに対する付加的配慮点は、ユニットモジュール式手法の増分長である。すなわち、線源全長は１００ミリメートルであり、この場合、６個の１００ミリメートル長のユニットによって表され、それによって、本システムの線源の総長は、長さ１００ミリメートルのＮ倍となる。ここで、Ｎは、長さ１００ミリメートルの個々のモジュールの総数を表す。所望に応じて、電子機器の制御のために、筐体１０６の底部の中央に向かって、カットアウトも使用可能である。
【００１９】
次に、図４を参照すると、筐体の底部区分１０６が除去され、ＬＥＤ  ＰＣＢとともに、集光光学系アレイ２１０と、光学系２１６および窓１０８が露出された状態の図３のシステム１００が、示される。窓１０８および拡散器２２４（図２参照）は、図５に示されるように、図４のシステム１００から除去されている。図６は、概略斜視図として、ＬＥＤ  ＰＣＢ  ２０４と、成形された光学集光アレイ２１０と、円筒形レンズ２１６と、を備えている、単一ＬＥＤモジュール６００を示す。
【００２０】
図２の集光光学系２１０の詳細は、図７（ａ）から（ｄ）の４つの異なる図に示される。図７（ｄ）は、図２において導入された、入力開口２０８と、テーパ状集光光学系２１２と、出口開口２１６と、開口２１４とを示す側面図を表す。好ましい実施形態では、テーパ状集光光学系２１０は、アクリル、ポリカーボネート、環状オレフィン（Ｚｅｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販等）等の高透明性光学グレードの熱可塑性材、あるいはガラスまたはシリコーン等の他の透明材料から作製される。同様に、円筒形レンズ２１８も、これらの材料から作製される。透過率増大のために、光学表面は、当技術分野において周知のように、単一または多層誘電性薄膜積層体によって、容易に、反射防止（ＡＲ）コーティングされ得る。ＡＲコーティングによるスループットの増加は、合計約２０％となり、いくつかの用途にとって、重要となり得る。
【００２１】
図７（ｃ）の図は、光学Ｚ−軸を直接見下ろした斜視図であって、図２のＬＥＤ  ＰＣＢ  ２０４と接触する、表面７０２を示す。また、左下の図７（ｃ）には、円形の運動学的整合ピン７０６と、３つの卵形ピンである７０８と、が示される。主要な運動学的機能性は、円形整合ピン７０６と、左下図の右上底部側に対角線上に約９０ミリメートル離れた、卵形整合ピン７０８と、から得られる。左下図の右下にある付加的卵形整合ピン７０８および左下図の左上にある対角線上卵形整合ピン７０８は、理想的寸法からの成形プロセスの際の光学系の任意の偏位が、ＰＣＢ  ２０４内の対応する嵌合孔とのピンの整合によって、定位置に戻るように付勢されることを保証するために存在する。
【００２２】
光学系２１０は、すべて、表面２１４において、光学系２１０のバランスに取着される、入力開口２０８、狭小側面７１２、および幅広側面７１０を伴う、５つの個々のテーパ部から成る。個々の集光光学系の数は、特定のニーズ、材料の種類、および特定の用途の熱環境に応じて、増加または減少可能である。
【００２３】
入力開口が、ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイおよび蛍光体と直接接触しないように、また、距離が大き過ぎるために、光を解放させるほど、距離が大きくならないように、成形プロセスの一部として、ＰＣＢインターフェース表面７１４と５つの入力開口２０８との間の厳格な公差を維持することは、重要である。製造の容易な製品にとっての良好な距離は、約１３０ミクロンの公称距離である。
【００２４】
集光光学系２１０の概略等角図が、図７（ａ）の右上図に示される。単一テーパ部２１２の寸法は、公称上、入力開口２０８において７ミリメートル×７００ミクロンの矩形であり、出力開口２１４において１９．８×２．６の矩形であり（図７（ａ））、２０．０ミリメートルの中心間距離を伴う、長さ２５ミリメートルである。５つのテーパ部を接合する窓の厚さは、公称上、２．５ミリメートルである。より厚い窓を有する利点は、照射平面２２８（図２）に結像される、テーパ部の出力面が、光学樹脂内にあって、したがって、集光光学系の窓上のいかなる粉塵または表面欠陥も、鮮鋭な焦点に入ることなく、強度にほとんど影響を及ぼさないことである。他の入力および出力寸法も、使用可能であることを認識されたい。例えば、Ｘ−Ｚ平面における遠視野角が、より小さいことが要求される場合、７ｍｍ寸法の入力開口は、単一ＬＥＤダイの幅と同じくらい小さく縮小され得る。
【００２５】
次に、図８を参照すると、図２の円筒形結像レンズ２１８の光学特徴の詳細が、示される。円筒形レンズ２１８が、両端間に整列され、図１のシステムの場合、全部で６つである、１つの連続的円筒形レンズを効果的に構成し得るように、２つの端面８０８（１つのみ図示）が、平坦表面として提供される。それぞれ、湾曲表面８０２および８０４の一方または両方は、非球面であって、像鮮鋭度を改良し、それによって、照射平面２２８に結果として生じる光線の強度を最大限にし得る。非球面レンズによってもたらされる、結像の改良は、著しい三次球状収差および強度の低下をもたらす、円形断面ロッドレンズの一部を使用する、典型的先行技術と異なる、決定的特徴である。側面８０８に投射する光を除き、表面８０２上のレンズに入射する光が、全内部反射によって実質的に反射され、そうでなければ、レンズ２１８間の空間近傍の強度を低減させるであろう、散乱によって損失されないように、側面８０８は、平面であって、良好な表面仕上げを有するべきである。
【００２６】
図９は、上側の上面図（ａ）および下側の側面図（ｂ）によって、単一ＬＥＤ光モジュール６００の光学特徴を強調する、（ａ）および（ｂ）の２つの図を示す。また、システムの温度変化または老朽化のいずれかに伴って、光の閉ループ制御を可能にするように、光モジュール６００の出力を監視するために使用され得る、感光検出器９０２の位置が、示される。
【００２７】
次に、図１０を参照すると、単一テーパ状集光光学系２１２に対して、２０８における単一ＬＥＤまたはＬＥＤダイアレイからトレースされる、光線の２つの図（ａ）および（ｂ）が、示される。水平Ｘ−Ｚ平面の光線トレースは、上図の図１０（ａ）に示され、鉛直Ｙ−Ｚ平面の光線トレースは、下図の図１０（ｂ）に示される。上図は、照射平面において、光線の発散が、水平平面における集光光学系２１２（拡散器は無いものと仮定）および鉛直平面における円筒形レンズ２１８の影響によって、どのように制限されるかを示す。
【００２８】
同様に、図１１（ａ）および（ｂ）は、同じ２つの直交する図の光学ソフトウェアパッケージＺＥＭＡＸからの連続光線トレースを示す。下図の図１１（ｂ）では、いかに双非球面レンズ２１８によって生成される像が、収差がほとんど無い状態で、良好に解像されているかが明白である。図１２Ａおよび１２Ｂには、図１０の光線の総和から生じる強度プロットが、示されており、それぞれ、水平および鉛直軸における走査を表す。図１２Ａにおける単一集光テーパ部の分布は、実質的に均一である、すなわち、＋／−５％の不均一性の全テーパ部からの光線をもたらすように、テーパ部の中心間距離と共に最適化されたものである。複合強度分布は、本線形システムにおける全テーパ部からの全光の総和であるため、図１２Ａの水平平面における単一テーパ部のインパルス応答およびテーパ部の中心間距離に対する厳格な注意は、容認可能な均一性を達成するために重要である。付加的配慮点は、主として、テーパ部２１２の場合、約３０度の半角である、水平平面におけるテーパ部の出力の遠視野角に依存する、エッジにおける強度の減退である。
【００２９】
次に、図１３を参照すると、３つのＬＥＤボード区分を備えている、システム１２００が、示されており、個々のテーパ部２１２が、個々の円筒形レンズ２１８同様に、両端間に積層されたモジュールの数に応じて、どのように相互に隣接して整列し、任意の長さの連続光線を形成するかを示す。図１４は、図１３のシステム１２００の等角図を示す。
【００３０】
図１５（ａ）は、最端セットの光学系に対する、図２のシステム１００の光学系のＸ−Ｚ平面における図を示す。図１５（ｂ）は、１５（ａ）におけるものと同一システムから成るが、視野周辺における光を中心に向かって戻るように向きを変え、視野周辺におけるより鮮鋭な遷移をもたらし、強度減退を伴わずに、効果的に、水平方向に全体的により広範な光線をもたらす作用を果たす、鏡１５０２の追加を伴う、システム１００を示す。図１５（ｂ）の鏡１５０２の側面図が、図１５（ｃ）に示されており、テーパ部集光光学系２１２の出力と窓１０８との間に位置付けられ、円筒形レンズ２１８の側面に沿って延在する、鏡１５０２を示す。照射平面の公称位置２２８は、図１５（ａ）、１５（ｂ）、および１５（ｃ）に示される。光の遷移の鮮鋭度に結果として生じる改良は、図１６のプロットに示される。鏡を伴わない場合の、９０％から１０％までの幅は、約５５ミリメートルとして示され、鏡を伴う場合は、その値の約半分まで減少する。
【００３１】
図１７のシステム１７００は、図３のシステムのユニットＬＥＤモジュール２０９の一部を構成し、集光光学系アレイ２１０に連結する、金属コアＰＣＢの好ましい実施形態を表す。６００ミクロンのＬＥＤダイに対して、ＬＥＤ群当たり１２の個々のＬＥＤダイ、または代替として、６つの１０７０ミクロンのＬＥＤダイ１７１８を伴う、「チップ・オン・ボード」（ＣＯＢ）金属コア基板のプリント回路ボード（ＰＣＢ）１７０２が、図２の集光光学系アレイ２１０の入力開口２０８に光学的に結合されて、示される。システム１７００は、単一色をベースとするが、トレースは、同時に、または独立して、複数の色が駆動されるように、容易に提供され得ることは明白であるはずである。すなわち、５つのＬＥＤ群１７１８のそれぞれ内に、複数の色が存在可能であって、例えば、青色、緑色、琥珀色、および赤色の独立制御が、所望される場合が多い。本ボード技術は、全色の独立制御のために容易に構成可能であって、集光光学系２１０は、複数の色に対応するように、具体的に最適化される一方、色それぞれに対して独立して、かつ色間でも同様に、照射平面において、高度の強度均一性を提供する。図７の４つの運動学的整合ピン７０６（各１）および７０８（各３）は、ボード１７０２の各端における２つの孔１７１４内に位置付けられる。本ＣＯＢ金属コアＰＣＢは、Ｔｈｅ  Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ、ＭＮ）から市販のもの等の種類である。最低熱インピーダンスは、典型的には、銅またはアルミニウム基板から成る、金属コアにＬＥＤダイ群１７１８を直接搭載することによって得られる。しかしながら、本手法は、ＬＥＤダイが、５群間に共通のアノード（底部接点）を有することを必要とする。他の高性能ボード基板として、アルミニウムまたは銅と、炭化ケイ素、黒鉛、またはＣＶＤダイヤモンド等の複合材料を含むが、それらに限定されない。しかしながら、最良な全体的性能とコストとのトレードオフの１つは、アルミニウムである。しかしながら、いくつかの用途および駆動回路の場合に必要とされる、他の４群のダイアレイとともに、ＬＥＤダイアレイ群１７１８を直列に駆動可能にするためには、ＬＥＤダイが取着する、その上に銅箔を伴う、熱的に伝導性であるが、電気的絶縁層が存在しなければならない。システム１７００の群１７１８内では、ＬＥＤダイは、相互に並列であるが、群間では、直列である。個々のボードを直列または並列に取着可能であるが、それらを実質的に直列に接続することは、概して、好ましい、より低電流をもたらす。銅箔の厚さは、典型的には、１ｏｚ乃至約１０ｏｚの範囲に及び、熱分散体として作用し、それによって、電気的絶縁層を通過する際、熱流束を減少させる。多くの用途の場合、このような２ｏｚの箔は、良好な選択肢である。誘電体は、典型的には、約７５ミクロン以下であって、アルミニウムの約１６０Ｗ／ｍ−Ｋおよび銅の３７０Ｗ／ｍ−Ｋと比較して、典型的には、約２Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導性を有する。誘電体が、非常に薄く、ダイが直接取着される箔層内の熱拡散によって、熱流束が低減されるという事実は、連続動作の場合、その有効熱インピーダンスを最小限にする。
【００３２】
ＣＯＢ  ＰＣＢ技術を使用する付加的利点は、サーミスタ１７１０、光検出器１７０６、および光検出器フィードバックレジスタ１７０８等の電気駆動回路デバイスまたは監視回路が、当技術分野において周知の標準的表面搭載技術によって、ＣＯＢ  ＰＣＢに直接取着可能であって、それによって、所望に応じて、付加的外部駆動回路網の追加コスト、空間、および複雑性の必要性を排除することである。配線用ハーネスまたは電気コネクタは、示されるように、コネクタ１７２０および１７２２等、ＣＯＢ  ＰＣＢに直接搭載され、電力を得るか、または、ボードへの信号およびボードからの信号を制御可能である。サーミスタ１７１０等の温度感知デバイスが、ＣＯＢ  ＰＣＢに追加され、温度を監視する場合が多い。また、閉ループ強度動作が必要とされる場合、光検出器１７０６および制御回路が、ＣＯＢ  ＰＣＢに追加され、時間および温度の関数として、光出力の変化を考慮可能である。ＣＯＢ  ＰＣＢは、標準的電気ビアによって取着される複数の層を、上述と同一の誘電体によって分離される連続箔層と共に有することが可能である。
【００３３】
ＣＯＢ  ＰＣＢ１０６からの熱は、熱伝導性共形パッド１７０４の使用によって、筐体ベース１０８に伝導される。これらの熱パッドは、上述のＴｈｅ  Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ等の企業から市販されている。これらは、ある範囲の厚さ、熱インピーダンス、電気伝導性、および材料コンプライアンスにおいて、利用可能である。代替として、熱伝導性ペーストが、熱パッドと置換可能であるが、ペーストは、大量生産においては、厄介であり得、概して、好ましくない。筐体上のフィンは、概して、実質的に鉛直方向に配向され、強制空気が利用不可能である場合、自然対流で良好に作用するであろう。さらにより高い強度で動作することが所望される場合、ファンのプレナムが、筐体の外側に取着され得る。水冷、ヒートパイプ、および熱電冷却等の他の当技術分野において周知の冷却技術も、同様に使用され得る。しかしながら、好ましい実施形態の非常に高い性能および効率は、ほとんどの用途に対して、自然対流で良好に作用するであろう。
【００３４】
図１７を参照すると、ボードの両端上の孔１７１６は、２つの機能を果たす。外側孔は、ＰＣＢと筐体との間に整合ピンを設置するために使用され、４つの内側孔は、外側からのセルフタッピング機械ネジの使用によって、ＰＣＢを筐体に取着するために使用され、その配列は、組み立てを簡素化し、図３の６つのＬＥＤモジュール間の良好な整列を保証する。ボードの両端から等距離にある４つの孔１７１６は、上述のように、運動学的ピンとの連結を介して、開口をＬＥＤダイに整合するために使用される、ボード上のレーザスクライブに対して、厳密に公差が設けられる。
【００３５】
次に、図１８を参照すると、図１７のＬＥＤダイアレイ群１７１８の拡大概略斜視図が、示される。１辺が６００ミクロンの１２のＬＥＤダイ１８０４が、集光光学系２１２の入力開口２０８に対して、正確に位置付けるために、レーザ整列スクライブ１８１０間のエッジ間に位置付けられる。ＬＥＤダイは、概して、当技術分野において周知の伝導性エポキシ、はんだ、または共融取着方法によって取着される。内側セットのレーザスクライブ１８１０は、テーパ部の入力開口２０８に若干充填が不足する、６００ミクロンのＬＥＤダイに対応し、外側セットのレーザスクライブ１８１０は、テーパ状集光光学系２１２の入力開口２０８の幅を若干過剰充填する、１０７０ミクロンの標準的ダイの使用に対応する。ワイヤボンド１８０８は、ＬＥＤダイ１８０４の上部から、順に、群間において、それらが直列に接続されるように、ＬＥＤダイの隣接群の底部側（アノード）に接続される、ワイヤボンドパッド表面１８０２に延在して示される。波長、強度、および順電圧の類似した特性を有するＬＥＤダイを選択することは、ＬＥＤダイを通しての電流引き込みが、同様となるため、最適な均一性および信頼性を保証する。
【００３６】
本発明の非常に重要な局面の１つは、エテンデュ（屈折率の２乗、面積、立体角の積）の屈折率の２乗の部分の役割を認識することによって、有効線源強度を最大限にする目的のために、ＬＥＤダイと集光光学系２１２の入力開口２０８との間に屈折率整合剤が存在しないことである。従来、ＬＥＤダイの抽出効率は、屈折率整合剤の屈折率の約２乗（約２倍）だけ増加する。しかしながら、最先端のＬＥＤダイにおいて使用される表面抽出向上技術によって、これは、もはや当てはまらない。実際、より短い波長のＧａＮ  ＬＥＤダイ（ＵＶから緑色）は、屈折率が整合する場合、ＬＥＤダイ製造業者に応じて、約２０％乃至４０％しか増加せず、より長い波長である、琥珀色から赤色および近赤外線ＬＥＤダイは、約５０％乃至６０％しか増加しない。したがって、エテンデュの屈折率の２乗係数のため、輝度は、固定エテンデュの場合、源の許容面積を効果的に増加させ、より低い電流密度でＬＥＤダイを稼働可能にし、屈折率整合剤を使用しないことによって向上する。加えて、典型的には、蛍光体とシリコーンの混合物によって、青色ＬＥＤダイをコーティングすることによって導出される、広帯域白色ＬＥＤ光の場合、ＬＥＤは、既に屈折率が整合されており、屈折率整合剤の使用によって、わずかに出力が増加する。蛍光体は、当技術分野において周知のセリウムでドープされたＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）、またはＩｎｔｅｍａｔｉｘ（Ｆｒｅｍｏｎｔ、ＣＡ）等の企業から市販されている、代替黄色蛍光体の１つ等の種類である。ＬＥＤダイによって放出される青色光の一部は、蛍光体によって吸収され、散乱するが、吸収されない青色光と組み合わせて、白色光の出現をもたらす、黄色光として再放出される。典型的には、蛍光体は、シリコーン材料によって、ＬＥＤダイの放出表面上の定位置に保持される。好ましい実施形態では、蛍光体は、係属中の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０５／４５２１２号に記載のもの等の共形コーティングプロセスによって塗布され、最適な色均一性および強度を達成する。多くの予めパッケージ化されたＬＥＤは、封入され、すなわち、ＣＯＢ上の屈折率不整合ＬＥＤと比較して、より低い輝度を効果的にもたらすことを意味する。加えて、テーパ部の入口開口に近いが内側の光に対し、光は、屈折率整合剤が使用されない場合のように全内部反射される（ＴＩＲ）代わりに、側壁を通して透過されるので、入力開口近傍のテーパ部に対する光の損失が生じる。
【００３７】
次に、図１９を参照すると、表面２１６からのフレネル反射（屈折率に応じて、約４％乃至５％）が、光学系２１０の壁に戻るように向けられ、光センサ表面１９０２に入射されるように、集光光学系２１０のテーパ部を進行し、テーパ部２１４の出力開口から出射する光線が示される。本手法の利点は、ＬＥＤダイ２０６から直接光を感知するのではなく、経時的テーパ部の透過性の任意の変化が、監視および補正され得ることである。センサ１９０２に到達する光は、２つ以上のテーパ部からの寄与を有し、他のＬＥＤダイおよびテーパ部のあらわれである。しかしながら、５つのＬＥＤ群のそれぞれに対して、１つの光センサを使用することも可能であるが、恐らく、多くの場合、利点はほとんどない。
【００３８】
図２０のシステム２０００は、円筒形レンズが除去され、拡散器２２４および窓１０８が、光学系２１０の出射表面２１６のすぐ外側に移動された、図２の光学系の代替実施形態を表す。本システムは、レンズに十分な余地がない場合、有用であろう。近視野の均一性は、水平平面においてのみ、光を拡散させる、１次元拡散器の使用によって向上されるであろう。図２のシステムでは、拡散器は、鉛直にも同様により広範な分布が必要とされる用途が存在しない限り、使用されない場合が多く、使用される場合、水平におけるビームを整えるための中間的な拡散器にすぎず、その場合、均一または楕円形拡散器が使用され得る。いくつかの企業は、Ｌｕｍｉｎｉｔ（Ｔｏｒｒａｎｃｅ、ＣＡ）等の企業による「ホログラフィック拡散器」と称されるもの、またはＲＰＣ（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ、ＮＹ）等の企業による「工学拡散器」と称されるもの等、高性能楕円形あるいは１次元拡散器を市販している。そのような１次元拡散器は、選択的テクスチャード加工対非テクスチャード加工面積と、ホログラフィック要素と、巨視的屈折要素と、を備えている、表面を制御し得る。
【００３９】
次に、図２１（ａ）を参照すると、入口開口２１０２と、出口開口２１０８と、それぞれ、大小の側壁２１０４および２１０６と、を伴う、テーパ光学系２１００が、示される。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のテーパ部の２１０２に取着される、入口開口２２０２と、側壁２２０４および２２０６とを伴う、直線壁付き均質化光パイプを備えている、修正されたテーパ光学系２２００を示す。光パイプの目的は、２２０２に位置付けられるであろう、ＬＥＤダイから入射する光のさらなる均質化を提供することである。本付加的混合は、一般には、必要とされないが、各入口開口内への複数のＬＥＤダイ色から成る、非常に均一な強度を必要とするシステムにとって、有益であり得る。図７に表されるようなテーパ部の好ましい実施形態は、複数のダイ色と併用し、色間の最小限の強度変動をもたらすために最適化されていることは、注目に値する。本高レベルの混合または均質化は、直線状テーパを使用する効果のうちの１つである。実際、図７のテーパ部は、各集光光学系開口の入力において、３つの独立した着色ＬＥＤダイと協働するように最適化されている。付加的均質化区分２２００は、同様に、より高いレベルの強度均一性が必要とされる場合であっても、図７に詳述される光学系２１０によって表される好ましい実施形態等、集光光学系アレイに容易に追加可能である。図２１（ａ）および２１（ｂ）における、比較的に長い長さのテーパ部は、比較的に、鮮鋭な遠視野分布をもたらすであろう。一般に、入力および出力開口寸法の所与の比率に対して、テーパ部が長いほど、遠視野強度分布は、より平坦になるが、長さと遠視野との間にトレードオフが存在する場合が多い。例えば、図７のテーパ部の長さは、２５ミリメートルである。長さの増加は、実質的に、限定高の円筒形レンズを通して、スループットに利益をもたらすことはなく、したがって、本長さは、良好な妥協案であることが分かる。しかしながら、２５ミリメートルを下回るほどの過度の長さの減少は、不明瞭な遠視野をもたらし、円筒形レンズ２１８の上部および底部開口に口径食を生じさせ、照射平面２２８において、強度が低下するであろう。
【００４０】
１次元テーパ部２３００の概略斜視図は、図２２に示されており、平行な２辺２３０６を伴う、上部および底部の長辺２３０４間にテーパ部が存在する。このように、連続線のＬＥＤダイが、入力開口２３０２に位置付けられ得る。開口２３０８から出射する光は、ランバート反射となるであろう（コサイン−θに伴って減退する）。水平平面では、不変であるが、鉛直平面では、発散が減少する。本システムの最も顕著な不利点は、水平平面において、円筒形レンズによって直線に再結像されるであろう光が、エッジ近傍で著しい減退を被り、集光光学系の中心部分に制限されたなおさら小さい一定強度領域をもたらすであろうことである。
【００４１】
図２３Ａ、２３Ｂ、および２３Ｃは、標準的テーパ部の代わりに使用され得る、ハイブリッド複合放物線集光器（ＣＰＣ）２４００および矩形形態のテーパ光学系の側面図、上面図、ならびに等角図を表す。光学集光器２４００の対向する側は、対称である。区分２４０８および２５０６は、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓから出版されているＷｉｎｓｔｏｎ  ａｎｄ  Ｗｅｌｆｏｒｄの書籍「Ｈｉｇｈ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ」に記載の種類の複合放物線集光器（ＣＰＣ）区分であって、エッジ光線原理に従って、傾斜されシフトされた放物線区分から成る。ＣＰＣは、Ｗｅｌｆｏｒｄによる回転対称の場合の記載のシータ集光器によって、シータに従って、入口開口２４０２および２５０２近傍で切頂される。入口開口からの同一距離で終端することを確実にするために、２４１０で終端するＣＰＣは、出力面２５０８まで直線壁によって伸展される。直線状テーパを越えるＣＰＣの利点は、ＣＰＣが、より高い強度をもたらすであろう、所与の出力開口数（また、ＮＡとしても指定される、出射半角のサイン）に対する、集中比の改良によって特徴付けられることである。しかしながら、不利点は、出力強度分布および遠視野が、入口開口における源の位置により敏感であることである。したがって、入口開口が、単一色ＬＥＤダイによって完全に充填される場合、ＣＰＣは、最高効率をもたらすであろう。しかしながら、ＣＰＣが、完全に充填されない場合、強度は、均一性が低下されるであろう。しかしながら、図２１に関して説明のような直線均質化区分を図２３の集光光学系の入力開口に追加し、感度を低減させ、それによって、高強度および入力開口均一性に対する低感度の両方の長所を得ることが可能である。ある場合には、一般に、湾曲ＣＰＣではなく、直線壁付きテーパ部のための工具を作製することが、より容易であるため、工具費は、意味を果たすであろう。別の選択肢は、鉛直平面においてのみ、ＣＰＣを使用し、水平平面には、ＣＰＣ区分を伴わないことであって、これは、入力開口において、均質化光パイプを必要とせず、全側面にＣＰＣを使用するのと比較して、工具費を減少させるであろう。
【００４２】
次に、図２４を参照すると、概略斜視図において、より大きいアスペクト比を伴うが、図２３Ｃの光学系と類似特徴を伴う、２軸ＣＰＣ集光器２７００が、示される。ＣＰＣ表面は、水平における２７０４および２７０６と鉛直における２７１２との間の表面によって表され、直線テーパ区分が、入力開口２７０２と上部２７０４と側面の２７０８との間に存在する。
【００４３】
図２５（ａ）および（ｂ）は、出力開口２８２０の上部および底部に取着された２つの鏡付き表面２８１８を伴う、シータＣＰＣ２８００による、矩形シータの別の実施形態を表す。２８０４および２８０２の入力開口に入射する光は、光学系２８００を戻って進行し、反射開口２８１８の間にある光のみ光学系から出射し、鏡付き表面に入射する光は入口開口に戻るように反射し、それは、ＬＥＤダイまたは蛍光体から光学系に反射する機会を有し、それによって、２８２０における非鏡付き表面から出射する輝度を効果的に増加させ、最終的には、本システムが、図２に描写されるような構成において使用される場合、照射平面において、より高い強度をもたらすであろう。青色ＬＥＤダイおよび蛍光体からの白色光と併用するための増強は、出力開口の透過部分と比較した鏡付き表面の相対的寸法およびＬＥＤ／蛍光体と入口開口との間の距離に応じて、約２５％乃至５０％である。この一般的な手法は、複数の跳ね返りが、ＴＩＲ角を超えることによって、入力開口近傍の側壁を通して、光の一部の損失をもたらすため、テーパ部では、効果的ではない。したがって、テーパ部の利点は、約１０％以下にすぎず、一般に、努力に値しないが、ＣＰＣベースの集光光学系の場合、そのような構成の製造を保証するために、十分有益である。
【００４４】
図２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、および２６Ｄは、それぞれ、システム３０００、３１００、３２００、ならびに３３００を表し、そうでなければ、図２のシステムのテーパ部の入口開口の外側で損失されるであろう光が、反射体３１０２の反射表面３２０２によって、どのように回復され、したがって、テーパ部３００２から出射する機会を有するかを示す。図２６Ａは、テーパ部の入力開口を過充填するＬＥＤダイを伴う、等角図を示す。図２６Ｂは、テーパ部３００２に対する、反射体３１０２の位置を示す。図２６Ｃは、等角断面図を示し、図２６Ｄは、再生光のための光線経路を示す矢印とともに、反射体の正面断面図を示す。
【００４５】
本発明の装置とともに、その製造および動作方法について、図示および説明されたが、その変形例は、当業者には明白となり、それらは、添付の請求項の範囲内であるとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図７（ｄ）】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１５（ｃ）】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１（ａ）】
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【図２１（ｂ）】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５（ａ）】
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【図２５（ｂ）】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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